Немецкие ученые нашли способ продлить жизнь электрокатализаторам для производства водорода

Наноразмерные образцы для атомно-зондовой томографии на кремниевой подложке. Автор: Тонг Ли

Немецкие исследователи обнаружили, что непрерывное растворение хрома в электрокатализаторе на основе оксида кобальта-хрома (Co-Cr шпинельной структуры) значительно повышает его активность и стабильность. Это открытие может существенно улучшить эффективность производства водорода.

Хотя сам хром не является активным элементом, его постоянное растворение обеспечивает обратимое преобразование поверхности катализатора, что поддерживает активность кобальта. Исследование проводилось учеными из Рурского университета в Бохуме, Институтов Макса Планка в Дюссельдорфе и Мюльхайме, Исследовательского центра Юлиха и Института возобновляемых источников энергии имени Гельмгольца в Эрлангене-Нюрнберге.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Co-Cr шпинельный оксид — это химическое соединение кобальта, хрома и кислорода со специальной кристаллической структурой. Такие оксиды на основе кобальта часто используются в качестве электрокатализаторов для реакции выделения кислорода — ключевого процесса электролиза воды, разлагающего ее на водород и кислород.

«Реакция выделения кислорода протекает медленно и является узким местом всей системы», — поясняет профессор Тонг Ли из Рурского университета Бохума. Ранее Co-шпинельный оксид быстро терял активность во время реакции.

Структурные и морфологические изменения наночастиц CoCr₂O₄ и Co₂CrO₄ после реакции выделения кислорода. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65626-x

«Интересно, однако, что катализатор становится очень активным и стабильным, когда в Co-шпинельный оксид добавляют много хрома», — объясняет Тонг Ли. Оказалось, что хром непрерывно растворяется в ходе реакции, образуя оксигидроксид.

«Это обеспечивает обратимое превращение между гидроксидом и оксигидроксидом. Данное преобразование активирует кобальт в катализаторе и поддерживает его активность в течение длительного времени», — добавляет она.

«Выщелачивание хрома, таким образом, не является негативным процессом. Это совершенно неочевидный результат», — отмечает профессор Ли.

В исследовании использовался комплекс методов: атомно-зондовая томография, просвечивающая электронная микроскопия, рентгеновская абсорбционная спектроскопия, фотоэмиссионная спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния in situ и электрохимические измерения.

ИИ: Это исследование демонстрирует важный парадокс — иногда «деградация» одного компонента (хрома) ведет к улучшению работы всей системы. Такой подход может найти применение не только в водородной энергетике, но и в других областях, где требуются стабильные катализаторы.

Дополнительная информация: Biao He et al, Atomic-scale insights into surface reconstruction and transformation in Co-Cr spinel oxides during the oxygen evolution reaction, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65626-x